一個由博士生藤原涼介，田中剛輔副教授(神戶大學(xué)工學(xué)研究生院)和研究科學(xué)家野田修平(RIKEN可持續(xù)資源科學(xué)中心)組成的研究小組已成功地提高了生物質(zhì)。他們通過對生物生產(chǎn)中使用的細(xì)菌進(jìn)行代謝工程來實現(xiàn)這一目標(biāo)，因此它將利用從生物質(zhì)中吸收的不同種類的糖來達(dá)到不同的目的。

使用微生物生產(chǎn)目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)存在一些問題。如果微生物使用碳源(糖)進(jìn)行自身繁殖，目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的生產(chǎn)就會減少。另一方面，抑制該繁殖會導(dǎo)致微生物變?nèi)?，?dǎo)致產(chǎn)量整體下降。為了解決這個問題，研究小組開發(fā)了一種稱為平行代謝途徑工程(PMPE)的新策略，使他們能夠控制目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生和微生物的繁殖。他們使用這種方法來改變大腸桿菌，以成功提高尼龍前體粘康酸的產(chǎn)量。

僅將選定的碳源用于目標(biāo)化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)，而將其余的碳源用于微生物繁殖，將在生產(chǎn)芳香族化合物以及醫(yī)療和化學(xué)產(chǎn)品原料方面帶來巨大的進(jìn)步。這項研究的結(jié)果于1月14日首次發(fā)表在《自然通訊》上。

工業(yè)依靠化石燃料作為生產(chǎn)各種產(chǎn)品的原料。然而，生產(chǎn)石油衍生的化合物增加了大氣中CO 2的量，從而引起許多環(huán)境問題。

圖2：上圖：使用常規(guī)大腸桿菌進(jìn)行生物生產(chǎn)。下圖：使用大腸桿菌的PMPE菌株進(jìn)行生物生產(chǎn)。信用：神戶大學(xué)

因此，需要開發(fā)生物精煉技術(shù)，該技術(shù)涉及使用微生物從自然豐富的可再生資源例如樹木和植物中生產(chǎn)化合物。生物質(zhì)衍生產(chǎn)品具有碳中和的優(yōu)勢;它們不會增加大氣中的CO 2量。希望使用生物質(zhì)生產(chǎn)各種有用的化合物可以構(gòu)成低碳社會的基礎(chǔ)，從而減少大氣中的CO 2含量。

粘康酸是一種有用的化學(xué)物質(zhì)，可以很容易地轉(zhuǎn)化成己二酸，這是尼龍生產(chǎn)中的一種成分。它也用作醫(yī)療和化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)中的原材料。然而，目前它是從石油資源化學(xué)合成的。希望可以使用微生物和可再生的植物資源開發(fā)出一種發(fā)酵方法，使反應(yīng)條件溫和，副產(chǎn)物更少。

但是，使用微生物從生物質(zhì)中生產(chǎn)目標(biāo)化學(xué)品存在問題。在許多情況下，使用生物質(zhì)的微生物會自行繁殖而不產(chǎn)生目標(biāo)化學(xué)品。但是，為了防止微生物增加而改變新陳代謝會使其變?nèi)酰@意味著無法合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)。微生物自我繁殖與目標(biāo)化學(xué)品生產(chǎn)之間的平衡是一個大問題。

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊開發(fā)了PMPE，在其中將微生物繁殖和目標(biāo)化學(xué)生產(chǎn)之間的糖利用分開，從而使他們能夠獨立控制每個過程。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)不能與全球食品供應(yīng)競爭，它由葡萄糖和木糖組成(圖1)。該研究小組制定了一種代謝策略，其中涉及修飾大腸桿菌，以便它將葡萄糖用于目標(biāo)化學(xué)生產(chǎn)，并利用木糖進(jìn)行微生物繁殖。

在常規(guī)微生物中，葡萄糖和木糖使用相同的代謝途徑，并且都用于微生物生長和目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生(如圖2所示)。因為微生物吸收了糖以產(chǎn)生并維持其生存所需的元素和能量，所以這減少了合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的量。

如圖2所示，劃分微生物的代謝途徑可使每種糖獨立使用，而所有葡萄糖均用于目標(biāo)化學(xué)生產(chǎn)，而所有木糖則用于微生物繁殖和維持。因為沒有葡萄糖被用于微生物生長，所以這允許產(chǎn)生更高產(chǎn)率的目標(biāo)化學(xué)品。

該研究小組向經(jīng)修飾的大腸桿菌引入了代謝途徑，以合成粘康酸。經(jīng)過修飾的大腸桿菌使用了葡萄糖和木糖，從而導(dǎo)致了目標(biāo)化學(xué)品的產(chǎn)生。研究人員成功生產(chǎn)了4.26 g / L的粘康酸，產(chǎn)量為0.31g / g葡萄糖(圖3)。這被認(rèn)為是世界上最高的產(chǎn)量，證明了PMPE策略的有效性。

隨后，研究人員研究了PMPE策略是否可以應(yīng)用于粘康酸以外的目標(biāo)化學(xué)品的生產(chǎn)。結(jié)果，他們成功地提高了必需氨基酸和芳香族化合物苯丙氨酸和1,2-丙二醇的收率，后者被用作藥品和食品中的添加劑。這些結(jié)果表明，PMPE是一種通用技術(shù)，可用于高效生產(chǎn)各種化合物。